基于GPRS与CAN总线的水情智能监测系统的设计与实现

基于GPRS与CAN总线的水情智能监测系统的设计与实现王俊飞，朱里红(成都理工大学工程技术学院，四川乐山614000)摘要：本文研究并开发了一种现场采用CAN总线进行数据采集，而利用GPRS进行数据传输的远程水位实时监测系统，该系统借助成熟的GPRS无线数据通信技术，结合TCP/IP通信协议，实现了CAN总线报文和IP协议的相互转换并通过GPRS无线网络和互联网传输CAN总线报文信息，进而对水库、河流等水情进行实时、可靠的监测。关键词：GPRS；CAN总线；水位监测系统[中图分类号]TP273[文献标识码]ADesignandImplementofTheWaterSmartMonitoringSystemBasedonGPRSandCAN-BusWANGJun-feiZHULi-hong(TheEngineering&TechnicalCollegeofChengduUniversityofTechnology,Leshan614000,China)Abstract:ThispaperdevelopedaremotewaterlevelrealtimemonitoringsystemwhichadoptsCAN-buscollectingthedata,andtheGPRSmoduleisusedtotransmitthedata.WithadvancedandreliableGPRSwirelesscommunicationandTCP/IPcommunicationsprotocol,ThesystemcanMutualconversebetweenCAN-BusmessageandIPagreement,andcantransmitCAN-busmessagebyGPRSWirelessnetworkandInternet,Andreliablemonitorwater-levelofriversanddamsinrealtime.Keywords:GPRS;CAN-Bus;Thewatermonitoringsystem.引言我国地域辽阔，地形复杂，气候变化无常，河流来水量变化剧烈，水、旱灾害发生频繁，大小洪水连年不断。报汛不及时，水情不明是导致灾情加重的重要原因，水情信息是防汛抗旱决策的重要依据。它的实时性和可靠性是决策实时性、科学性的前提[1]。水情信息的及时采集可以对洪涝灾害实施有效的监测和预警；建立一套经济实用的、符合我国国情的水情采集传输系统势在必行。本文所设计的系统采用CAN总线和GPRS技术，具有费用低廉、建设周期短、可靠性高、实时性强等特点，提高了测报速度、预报精度，扩大了测报范围和内容。动态实时地监测水位、雨量等水情信息，对防汛、抗旱及水资源合理利用起到重要作用。1GPRS系统与CAN总线的简介1.1GPRS系统概述GPRS(GeneralPacketRadioService)是在GSM系统上发展起来的一种无线分组数据承载业务[2]，由于GPRS自身的技术特点和优势，GPRS在远程监控中具有实际应用价值。首先，作为无线系统在实现上比有线系统简单容易，尤其在水库、河流等环境比较恶劣、分布偏远的野外地区。其次，系统利用率高，可以同时监控多个被监控对象，减少了系统重复建设和人员维护，可实现野外无人值守。同时，能提供端到端广域的无线IP连接。用户可以通过全球移动通信系统，以无线连接的方式方便、快捷地接入固定IP网络，利用公网不需自建和维护通信网[3]；结合水位数据传输突发性、间断性、频繁性和实时性特点，系统选用成熟的GPRSDTU(dataterminalunit)作为远程数据传输模块，将水位和降雨量等信息形成IP数据后通过GPRS网络传输到中心站计算机，保证数据及时、准确传输的前提下，将系统运行费用降到最低。1.2CAN总线技术CAN(ControllerAreaNetwork)即控制器局域网，是一种有效支持实时控制的串行通信网络，与一般的通信总线相比，CAN总线具有先进的主网络结构，实时性好，通讯距离远，数据传输速率快，具有较好的差错控制能力，可靠性高、系统容量大、扩充容易、安装方便、维护费用低、性价比高等优点，特别适用控制节点多，分布较散的监控场所[4]。因此，本设计采用CAN总线来实现对水情信息的采集，可提高系统的可靠性、实时性和灵活性。2系统的总体结构框架该水情自动监测系统采用“分散监测、集中处理”的模式进行设计，整个系统由现场水情远程终端监测基站、GPRS通信网络和水情遥测中心站三大部分构成。系统总体结构如图1所示。现场需要采集的水位、雨量等水情数据，通过相应的传感器连接到CAN网络中，进行数据的采集。GPRS远程传输部分主要是将已采集的数据经过压缩整理，再由GPRS模块经GPRS和Internet网络发送到本地的服务器上，数据经处理后，水情信息导人数据库备份、这些数据可指导水利部门采取相应的措施而对实际水情加以利用或控制。CAN总线CAN总线基于MCU的CAN总线节点基于MCU的CAN总线节点基于MCU的CAN总线节点基于MCU的CAN总线网关节点水位计雨量计水位计雨量计水位计雨量计GPRS数据收发器终端电阻水情遥测中心GPRS网络基站----------图1系统总体结构框图Fig.1ThestructurechartofOverallsystem3系统功能的实现3.1系统硬件设计该系统的主要硬件设计部分为远程终端测量站，远程终端测量站包括三大部分：一是采集模块，二是GPRS通信模块，三是电源模块,结构如图2所示。其中MCU选用MSP430F149，MSP430F149采用了最新低功耗技术，工作电流为0.1-400PA，它将大量的外围模块整合到片内，特别适合于开发单片超低功耗系统。该单片机具有低电压、超低功耗；具有12位的模数转换器；拥有大容量的存储空间；两通道串行通信接口；以MSP430F149单片机为核心的数据处理单元，通过模拟/数字通道对翻斗式雨量计、压力水位计采集到的水情数据进行分析、预处理以及存储；通过串行通信口连接到CAN网络中，完成CAN总线数据收发和协议转换；并通过串行通信口与GPRS模块MC39I进行连接，通过AT命令控制其上网进行数据收发。考虑野外现场没有市电，系统选择了太阳能加蓄电池的供电方案，阳光充足且太阳能板输出满足系统要求时，太阳能电池板为终端供电并对蓄电池充电；阳光强度不够时则由蓄电池为系统终端供电。3.2系统软件设计3.2.1现场遥测终端软件设计现场遥测终端软件设计采用模块化设计方法，主要包括初始化模块；数据采集模块；数据处理模块；数据存取模块；无线通信模块；定时器中断和串口中断等，该系统采用C语言开发，开发环境为ADS1.2，MSP430F149通过串口发送AT指令控制MC39I通讯模块实现初始化、网络登录、数据收发等功能。其程序流程如图3所示。太阳能光板蓄电池雨量传感器CAN总线CAN总线水位传感器PCA82C250CAN收发器SJA1000CAN控制器MCU模块GPRS数据收发器图2远程测量站基本结构图3程序流程图Fig.2ThebasicstructureofRemoteMeasurestandingFig.3TheFlowchartsofProgram3.2.2遥测数据中心软件设计水情遥测中心是该系统的监控中心，负责水情数据的接收、显示以及存储和查询。本系统采用VB6.0来开发，在软件编制过程中，采用模块化程序设计方法，主要功能模块包括用户登录模块、系统设置模块、数据通信模块和数据管理模块。软件编制中，采用VB6.0的Winsock控件编写网络通讯程序，用Access数据库保存各监测点的数据、系统参数以及日期、时间等。该软件为用户提供了一个可视化界面，实时监测各监测点的水情数据。通过此软件，可查询历史数据库，查看各监测点水情信息的历史记录和统计曲线，从而为水利相关部门提供决策依据。4结论本文在整体系统上选择了先进的CAN总线和GPRS远程数据传输技术，将GPRS技术与CAN总线技术有机结合，设计完成了一个具有现场运用CAN网络采集水情数据，而且可以实现数据无线传输的远程监测系统，采用VB6.0编写SJA1000初始化单片机初始化开始处理采集到的数据数据传输数据采集MC39I通讯模块初始化登录GPRS网络GPRS网络正常？定时采集时间到？有数据传输指令？YNYNNY遥测数据中心软件，该系统抗干扰能力强，可靠性高，实时性强，管理操作简单，可实现对不同地区水库、河流的水情，进行自动、实时、可靠的监测。参考文献[1]孙选，艾长胜，李国平.基于VB的远程雨量自动监测处理系统[J].济南大学学报,2002,16(2):197-199[2]刘景宁，刘涛.基于CAN总线的GPRS远程检测与通讯[J].计算机工程与科学,2005,27(2):104-106[3]徐科军，陶维青，汪海宁DSP及其电气与自动化工程应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.9[4]祝敏.基于CAN总线的大棚温湿度监控系统的设计[J].自动化与仪器仪表,2010,14(1):57-60[5]田启明，曹月芹，陈武VisualBasic程序设计[M].北京：国防工业出版社，2008.7[6]黄维通，刘晓静C语言程序设计[M].北京：清华大学出版社，2011.1作者简介：王俊飞（1981-），男，硕士，助教，主要从事机电液智能控制技术的研究和教学；联系电话：[phone]；E-Mail：[e-mail]；通讯地址：四川省乐山市市中区肖坝路222号；邮编：614000；朱里红(1979-)，男，硕士，助教，主要从事冶金节能技术和智能控制技术的研究；